本文由独孤铭记贡献一、航空科学的先驱达·芬奇提到达·芬奇的名字人们大都会立刻想起他是欧洲文艺复兴时期的巨匠、举世闻名的伟大画家是《蒙娜丽莎》、《最后的晚餐》等世界名画的作者。但他作为航空科学的开山始祖就鲜为人知了。事实上比其他航空先驱早300多年达芬奇就研究过各种鸟类的飞行动作设计了人力扑翼机、滑翔机、旋翼直升机以及变形降落伞。可惜的是他的研究成果直到19世纪晚期才被后人发现不然的话人类上天的夙愿也许还可以更早地变成现实。达·芬奇于1452年4月15日生于意大利的芬奇1519年5月二日卒于法国劳克斯享年68岁。达·芬奇是一位伟大的画家又是一位科学家和工程师同时也是航空科学研究的创始人。达·芬奇在科技方面的卓越贡献受到后人的高度评价。许多哲学家、科学家把他看作是近代科学的第一位先知。达·芬奇在30多岁的时候对鸟的飞行发生了浓厚兴趣并开始投入很大精力研究航空学问题。这个研究过程前后持续了20多年的时间。达·芬奇首先对鸟的飞行进行了长时间认真地观察和解剖研究。他观察了各种飞鸟、蝙蝠、昆虫甚至还研究了水里游动的鱼类分析它们飞行或游动的动作和各部位的作用机理。他制作了简单的试验装置借以考察鸟的不同飞行姿态和身体各部位的功能。通过仔细观察研究达·芬奇对飞行问题得出了一些重要认识。但是由于当时科学认知的局限性达·芬奇坚持认为人类的飞行只有模仿鸟类才是能成功。达·芬奇还提出了另一个重要思想即人类研究飞行问题的时候除了研究飞鸟以外还应当研究鸟的飞行环境。要研究风力或空气动力对航空科学的重要意义。这些观点都很具有现代意义。达·芬奇相信人类最终是可以升空飞行的——“一个带有足够大并正确安装的翅膀的人可以学会如何克服空气阻力征服天空他可以成功地调节翅膀飞入天空”。由于强调扑翼飞行是人类飞行的基础因此他非常重视对鸟的飞行进行深入地观察和研究。经过长时间的研究和积累达·芬奇已获得了大量有关鸟的飞行的研究心得撰写了大量
石油大王哈默的故事笔记手稿绘制许多草图。1490年他发明了空气螺旋桨即在一个螺旋桨的物体上扎上鸟的羽毛做成了能飞行的直升机一类的模型。1505年达·芬奇完成论文《论鸟的飞行》。在书中达·芬奇阐述了关于鸟的飞行的三个原理。其中第一原理是持续飞行原理或叫空气的升力原理。他认为鸟的翅膀在扇动时使翅膀下的空气压缩从而使翅膀上下形成一个压力差这个压力差就是升力。此外他还研究了鸟在飞行中的稳定性与可控制性区分了鸟的各部位的功能。达·芬奇对鸟飞行控制的观察非常细致。《论鸟的飞行》中大部分是关于这方面的阐述。他认为鸟在飞行中改变方向的方式和动力有多种多样包括风的影响、翅膀的扇扑方式、飞行惯性的控制、尾巴的利用、引力中心位置的控制、用腿作为减速器等多种。达·芬奇的另一个重要贡献是他生前留下 5 000页著作和150亲手绘制的有关飞行研究图纸但他未将这些研究成果拿去发
表致使这些成果被埋没。以今天的科学视角来评价他的许多设计草图基本符合空气动力学原理反映出他认识到空气密度和重心对飞行器的重要影响。由于达·芬奇对机械问题十分感兴趣。于是他运用绘画和机械学知识设计了许多飞行机械包括扑翼机、降落伞和直升机但投入精力最多的还是扑翼机。设计扑翼机完全是对鸟的模仿。大约在1485年达·芬奇设计了第一架扑翼机并在1487年画出了设计草图。他认为人的臂力不足以扇动机翼便设想使人处于俯伏状态用大腿肌肉的力量来辅助驱动。但这样仍嫌动力不足他又研究了当时已有的各种机械动力包括弹簧和弓弦等。达·芬奇在去世前将自己毕生的著作统统托付给他最要好的朋友。这位友人忠心耿耿地把达·芬奇的这些著作严加看管致使达·芬奇的研究成果长期不为世人所知更无从付诸
应用以至后来在航空界有“别人…重新发明直升机、螺旋桨”等航空设备的说法。达·芬奇的著作在友人死后的数百年岁月里几经转手到1980年前一直保存在英国莱斯特伯爵图书馆里。1980年12月12日美国石油大王哈默以560万美元买下这批手稿1994年11月11日美国软件大王比尔·盖茨又以3080万美元的天价买下了这部价值连城的
手稿创下了书刊和手稿拍卖史上最高价格的记录。只是可惜他的研究成果由于久未公诸于世从而使他科学研究的价值大大打折使这位举世闻名的文艺复兴时期的巨匠和航空科学的先驱未能对人类航空事业的发展发挥应有的作用。二、近代航空的发端一热气球巡天三步曲1.近代热汽球腾空而起1709 年巴西人巴德古斯芒神父用粗帆布制成一个吊有盆形小船的热气球点燃羊毛与麦杆在葡萄牙泰雷鲁多帕苏卡萨达印地的室内为约翰五世国王作了“世界上最早的”热气球飞升表演。热气球一直升至 3.6 米高的天花板但在下降中不幸引燃了窗帘但国王并不认为这是件坏事。据说古斯芒神父也曾试验过“鸟形气球滑翔机”。如确实如此他比凯利早75 年制作出比较规范的模型飞机。1782 年11 月25 日法国的蒙哥尔菲兄弟利用麦杆燃烧产生的热气将一只直径为12 米高度为17 米的热气球顺利地升上了天空。虽然当时这只汽球的制造材料非常普通甚至简陋只是以柳条为骨架、外部用纸做成蒙皮。但它在人类制造航空器的发展史上被公认为世界上第一只飞行成功的“现代”热气球。几个月后1783 年初夏的一天6 月 4 日为了在法国科学院的代表面前证明自己的伟大发明蒙哥尔菲兄弟在巴黎昂诺内广场上举行了热气球首次公开飞行表演。这是一只在半年前飞行成功基础上又进行了新改进的热汽球汽球以亚麻布为蒙皮
材料直径30.5 米容积800 立方米。在地面上先用燃烧稻草和羊毛产生的热气充填球体。据说在气球升空前随着加热气体的不断填充须由8 名身强力壮的男子汉用力拽住绳索才不至于让热气球失去控制逃脱地心引力竟自飞升而去。这次飞行表演非常成功汽球飞行的高度为457 米飞行时间近10 分钟飘飞距离2300 米。当年的初秋9 月19 日蒙哥尔菲兄弟奉命为法国国王路易十六夫妇做热汽球的飞行表演。这一天上午9 时许在熙熙嚷嚷的喜庆气氛中一只容积为1200 立方米并乘载着一只绵羊、一只公鸡和一只鸭子的热气球缓缓升起。国王路易十六夫妇与他们的数万名喜欢热闹的法国臣民们高兴异常。这次飞行上升的高度为450 也有说518 米高度飞行了8 分钟由起飞地点飞出3200 米远并降在一片郁葱葱的树林中。这是一次人类首次用动物作飞行器搭乘“客人”的飞行。法国国王路易十六为此容颜大悦即刻赐名——“蒙哥尔菲气球”。蒙哥尔菲气球因此名声大噪。蒙哥尔菲兄弟以他们的不懈追求再一次获得了成功一时间成为法国人街头巷尾的美谈。蒙哥尔菲兄弟发明的热气球为人类真正实现飞行梦第一次提供了可行而又可靠的航空器。百年之后人们在蒙哥尔菲兄弟成功的发祥地隆重树碑以永久纪念这一具有重大历史意义的壮举。2.
载人热汽球飞上蓝天蒙哥尔菲兄弟成功了但热汽球的故事并没有画上最后的句号人类的飞行梦仍在继续着。如同《西游记》中唐僧师徒历经艰难险阻不断自我完善最后才取得了真经。在蒙哥尔菲两兄弟的身后许许多多的航空探索者以其义无反顾的追求使热汽球的制造与飞行不断向更科学更完善的目标迈进。从而又创造了若干个热汽球飞行的“第一”。首先是1783 年10 月15 日法国科学家兼药房主罗泽
尔与达兰德斯侯爵勇敢地替下了2 名原来作为志愿搭乘者的狱中囚犯亲自登上一只蒙哥尔菲热气球并升空了27 米的高度从而成为人类首次升空飞行的第一人。当时出于人身安全的考虑这一次罗泽尔与达兰德斯仍然是在热气球绳索系留状态下升
空的。所以这一次升空仍属于一次“系留飞行”。事后罗泽尔与达兰德斯并不因此而满足于是一个月后即1783 年11 月21 日他们俩个相约进行一次脱离绳索系留的真正的升空飞行。这天的下午罗泽尔与达兰德斯再次乘坐由麦秸与羊毛燃烧产生热气充填的蒙哥尔菲热气球在巴黎16 区布劳纽森林边的波旁王朝皇家行宫庭院中冉冉升空。经过20 分钟的水平飘飞这只直径14.95 米、高22.75 米、容积2200 立方米且外表华丽非凡的载人热气球降落在该市13 区的意大利广场上。这是人类首次航空器载人自由飞行为人类航空史添上一笔重彩从此人类开始真正进入浩瀚的天空。从此以后世界上热汽球飞行的探险热情一发而不可收。1784 年 6 月 4 日法国人蒂布勒夫人与丈夫乘坐热汽球持续飞行了45 分钟汽球上升的高度为2600 米。于是蒂布勒夫人荣幸地成为世界上最早参加飞行的女性。1784 年法国大革命期间人们曾成功地利用系留载人气球进行战场侦察。这可视为利用飞行器从事军事行动的较早范例。1784 年9 月英国人伦那特在10 余万名观众的注目下乘坐热气球顺利升空。从而当之无愧成为英国历史上第一位飞行者。1789 年法国陆军组建了世界上第一支具有正式编制的气球侦察部队。这应是航空飞行器最早正式配备于军队中。1793 年法国人布兰查德在一次气球飞行中因气球发生故障而用自制降落伞跳下逃生。这可称作为飞行器应用降落伞的最早传闻。1794 年法军在与比利时军队开战时有2 名军官持望
远镜与信号旗乘气球升空侦察敌情。这是在实战环境下第一次直接的军事航空行为。1803 年比利时人罗伯逊利用系留气球升空在7000 米的高空中进行了电火花试验。这是人类首次利用飞行器在空中进行科学试验。1804 年俄国科学院责成萨哈洛夫院士与航空家罗伯逊合作乘坐气球升空当时飞行高度接近2500 米。在高空中他们多次取得空气样品并进行了音响、电磁效应等科学实验。这是世界上第一次科学探空飞行。1808 年波兰人库帕在所乘气球失火时用降落伞逃生成功成为人类航空史上第一例实用空中救生。1812 年俄国试用载有爆炸物的无人气球轰炸法军阵地可是未获成功。1830 年美国诗人杜兰特在纽约乘气球升空并在空中散发了他的浪漫诗篇。这是美国人在自己的国土上乘气球首次飞行。1830 年美国人克雷顿乘气球经过9 小时的漫长飞行投递了世界上第一封“航空邮件”。1835 年美国费城的约翰怀兹乘气球反复升空4000 次并花了20 天的时间从桑达路易斯飞抵纽约总行程达1800 千米。这是人类第一次利用航空器进行的远程飞行。1847 年日本人马场新八等人在东京海军操练所乘坐气球升空。这是日本最早的飞行记载。1850 年气球开始应用于大气探测。1862 年在美国南北战争时期北军一位军官乘气球升空后对南军阵地进行了照相侦察。1862 年格林威治气象台台长格列塞尔与助手在不带氧气设备的情况下一同乘气球升入8800 米高空进行了首次高空探测飞行。1865 年法国“天顶一号”气球创造了载人飞行22 小时40 分的续航时间记录。1870 年至1871 年在普法战争中被普鲁士军队团团包围的巴黎人曾先后利用66 只气球将155 人、9000 千克邮件以及363 只信鸽送出城外并降落于敌后方。其中有57 只气球飞行成功。每次单程飞行需耗时约3 小时。此举被史学家们誉为“最早的空中运输航线”。1901 年7 月31 日德国气象学家伯桑和苏瑞在乘气球飞行创造了升空高度达10800 米的纪录。
这项升空高度的记录保持26 年未被打破。值得指出的是在各国的航空探索者对空气热气球反复实验的时候另有一些探索者发现纯氢气比摄氏100 度的热空气所提供的浮力大4 倍的特点认识到了使用氢气充填气球的优越性并大胆地进行了多方面的实验。1783 年法国科
学家夏尔在助手罗伯特的协助下用浸胶织物做成了直径3.7 米的气囊发明制造了
举世公认的——“ GLOBE ”号。12 月 1 日在40 万市民的注目下夏尔和他的助手罗伯特从巴黎市的勒斯图勒瑞斯广场升空经2 小时的自由飘飞飞行高度曾达650 米降落在43 千米外的田野上。不一会儿他俩又再次升空一度飞到2750 米高度并飘飞35 分钟他们成为“在一天之内两次看到了晚霞的人”。这只直径8.6 米的气球成为最早可以载人飞行的氢气球。后来随着氢气球的不断完善很快就替代了热气球。1783 年在美国费城法国人布朗夏尔为华盛顿总统公开表演了氢气球飞行飞行高度1524 米。据载这是美洲大陆上第一次飞行器的升空飞行。1873 年10 月6 日美国人多纳德逊、朗特和记者福特 3 人乘坐8500 立方米的载人氢气球首次飞越大西洋并获得成功。据说此前他们曾于9 月从美国纽卡南起飞作过第一次尝试但遭到失败。1887 年天津武备堂教员华蘅芳曾自制了直径为1.66 米的氢气球并放飞成功。这是中国人自制的第一个现代氢气球开创了近代中国人制造航空器之先河。1887 年8 月上旬天津武备堂教习孙筱槎、参军姚某以及天津县知县卢本斋三人在共同参考了外国气球后改良制造出小型氢气球一只在总办杨艺芳督导下试放到“十几丈高”后因绳断而飞走。该氢气球用绸布做蒙皮直径数尺。同年9 月22 日在天津督署门前又演放过大型氢气球1 只小型氢气球3 只。当时的清政府大臣李鸿章曾亲
临视察其中大球升空高度达几十丈高当天虽遇有大风仍成功回收。这4 只气球均为天津武备堂自制。3. 飞艇在航空史上留下精彩的一页气球的研制与飞行仍在继续。最终航空事业的先驱们拓展思路又踏上了探求可操纵的气球——飞艇之路。1783 年11 月法国工程师苗纪首次提出“可操纵气球”的设计原理。1883 年法国人齐桑忌耶兄弟研制的用11 千瓦电动机驱动的1060 立方米气球飞行成功。其平飞速度可达到每秒4 米。这是对飞艇原始形式的一种探索。1896 年德国人制造出能在风中稳定飞行的椭圆型气球。这也是气球向飞艇发展过程中的又一过渡构型。1784 年法国陆军工兵军官梅斯涅设计出原始的拥有动力装置的雪茄形飞艇草图。一旦气球安装了发动机并具备自主控制飞行功能以后便成为新一代轻于空气的飞行器——气艇也称“飞艇”。1784 年法国人布朗夏尔最先在气球上试验安装了用手摇动的称之为“小风磨”的空气螺旋桨试图靠它产生水平拉力飞越英吉利海峡。尽管所需功率明显不足但这确实是对飞艇概念最早的一种尝试。1784 年法国人罗伯特兄弟制造出一艘940 立方米容积、需靠7 个人划动2 米直径的绸布空气桨的流线形原始氢气飞艇。据记载靠人力划桨能产生476 千瓦的功率该原始“飞艇”曾经歪歪扭扭沿着一个不规则的闭合航线在空中好不容易移动了几千米。这是对飞艇所作的最早的探索性试飞。1837 年英国航空先驱者乔治凯利开始研制带有蒸汽机动力和2 副5 叶空气螺旋桨的原始飞艇并首次提出了硬式结构、全金属气囊、长圆形分隔舱等新的气球结构布局但最后未付诸实现。但这一设计使凯利成为现代飞艇设计的鼻祖。1852 年9 月24 日法国人亨利吉法尔制成第一个“机械力气球”该气球外形不再是球形而是长43.89 米、直径11.9 米的枣核形气囊容积5472.4 立方米总升力大于2000 千克。更重要的是它第一次装有三角形尾舵和2.2 千瓦蒸汽机一台、用以驱动直径 2.13 米、转
速为每分钟110 转的三叶螺旋桨。气球从巴黎马戏场起飞后用3 小时左右飞行了28 千米然后在特拉普斯着陆作了人类第一次有动力载人“可操
纵飞行”。真正的飞艇问世了1884 年8 月9 日法国人试飞了由电动机驱动的“法兰西”号全向操纵型飞艇。列纳尔上尉在当天的试验中飞行4200 米后又成功地返回
起飞点从而结束了人类飞行一直要受风摆布的历史。“法兰西”号飞艇艇直径为8.5 米长度为51.8 米航速为每小时19.3 千米电动机功率为6.6 千瓦9 马力它驱动
一个直径9 米的拉进式螺旋桨。它被认为是最早飞行成功的一艘飞艇。1897 年世界上第一艘铝结构的飞艇问世这艘飞艇装有一台8.82 千瓦 4 缸汽油发动机但在
试飞着陆时摔坏飞艇无法修理最终废弃。1898 年旅法巴西人杜蒙用汽车内燃机装于飞艇试飞。这是汽油发动机最早用于飞艇。1899 年旅澳华侨谢钻泰设计出铝壳结构、电机推进的“中国”号飞艇图纸这是由中国人首次设计的有动力飞行器。1900 年7 月 2 日德国的齐伯林伯爵经6 年努力在包金斯基附近的工厂里制成他的第一艘充氢硬式飞艇并在腓特烈港附近试飞成功。这是一台可载1 名驾驶员和5 名乘客的飞艇飞行时间20 分钟。这艘艇直径为11.73 米长度为127 米用防水布组成17 个气囊容积11300 立方米升力13000 千克。它是齐伯林在1918 年前研制出的113 艘飞艇中的第一艘。在20 世纪20 年代以前齐伯林飞艇几乎主宰了大半个世界的天空。1901 年10 月19 日旅法巴西人杜蒙的6 号橡皮飞艇从巴黎
郊区桑克尔山出发实现了绕巴黎埃菲尔铁塔一周的壮举因此获奖金15 万法郎。他用实际行动向世人证明飞行器已完全能够按人的意志自由飞行在航空发展史上留下了精彩的一页这次飞行距离为11 千米飞行时间30 分钟。1903 年热心的航空探索者、旅法巴西人杜蒙因驾驶他的9 号飞艇成功地降落在友人依莱塞斯的住宅庭院前并走下来喝咖啡小息而使这种飞行器真正成为可供私人利用的空中交通工具它甚至可用于森林上空的散步。这次有趣的飞行经历充分显示了飞行器已对于人们的日常生活产生了巨大的魅力。二飞机诞生前的“战国”时期人类渴望飞行的理想由来已久。看到鸟儿自由自在地飞翔古代先人必然会设想人类能否飞行的问题。于是在航空发展的幼年期无论是在中国还是外国的有关记载中简单地模仿飞鸟便成了这一时期人类探索飞行的一个重要方式。尽管中外历史上从没有取得成功的凡例但先驱者的努力打开了探索航空飞行的大门为后人的继续探索提供了多方面的启示和铺垫。1. 扑翼机的出现17 世纪至18 世纪欧洲航空发展处在一个特殊的扑翼机探索和设计阶段。其中一位重要的扑翼机探索者是意大利工程师布拉蒂尼是。1648 年布拉蒂尼设计了一架名为“飞龙”的扑翼机。18 世纪瑞典著名科学家、哲学家伊曼努尔·斯威登伯格也曾研究过飞行问题。1714 年8 月他在致内弟埃里克的信中谈到了他自己的14 项发明其中包括“一种飞车也就是在空气中悬浮及载物的可能性”。1716 年他在自己创办的科学杂志中发表了《用于在空气中飞行的机器简释》其中包括他设计的扑翼飞行器草图。18 世纪中叶意大利人格里玛尔蒂设计的扑翼机采用了轮式起落架、可动尾翼、发条式发动机、可折叠翅膀等一些新奇的设计。1751 年英国人莫里斯设计了一架用骨架和蒙皮组成的圆板形扑翼机用蒸汽机驱动环形扑翼飞行。1770 年法国人笛弗格设计的扑翼机有着一对用羽毛制成的大翅膀。翅膀和座舱都是框
架结构内部中空外部有蒙皮。在18 世纪的扑翼机设计中最具现实性的可能属于德国的梅希尔·鲍尔设计的“天使之车”了。1764 年鲍尔设计的“天使之车”扑翼机。从结构看它非常像一架现代飞机。可惜他的设计没有投入制造。气球诞生后从事扑翼机设计与制造的人数立即减少大量喜爱飞行的人把眼光和兴趣放在气球上。这个趋势使扑翼机销声匿迹了。作为航空史的一个特殊时代扑翼机未能在技术上给飞机发明以很大帮助但有关飞行器组成方面的探索仍然给后人留下了有益的启示。2. 飞机动力装置的发明经过无数次失败的尝试和不断的科学的研究人们开始
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